破解提高電池容量的科學難題

　　讓手機等電子產品擁有更長的待機和使用時間，讓電動汽車擁有更長的續航里程，讓儲能裝置存儲更多的電量……一切應用場景，都在呼喚更高容量的電池。

定量研究揭示晶格氧反應的高度可逆性

　　以鋰離子電池為代表的新型二次電池如今已經和每個人的生活密切相關，具有更高容量在鋰離子電池和新興的鈉離子電池的主要組成部分中，以過渡金屬氧化物為主的正極材料是提高能量密度的主要制約因素。因此，如何提高正極材料的容量是當今科學界、產業界和全社會共同關注的焦點。

　　近日，東北大學冶金學院副教授代克化與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員合作，在影響高容量鋰/鈉離子電池正極材料循環壽命的關鍵問題上取得重要理論突破。該項成果于近日在細胞出版社旗下能源領域旗艦期刊Joule上在線發表，業內評價這一研究將為人們進一步開發高容量、長壽命的新型二次電池正極材料提供方向性理論依據。

　　關注焦點問題

　　在電池充放電過程中，隨著電流的發生，電池內部也在發生得失電子的氧化還原反應，這些反應是影響電池容量的關鍵，傳統的正極材料，只有金屬離子發生這樣的反應。近些年的研究則發現，設計新的材料，激活其中的氧元素發生化學反應可以額外獲得一倍以上的容量，從而有望大幅提高電池的能量密度。

　　但是這種新的化學反應上空還飄浮著一朵致命的“烏云”，這就是反應的可逆性。反應必須高度可逆，電池才能在大幅提高容量的同時擁有長壽命。

　　此前一些研究學者認為，只有昂貴的釕、銥等元素氧化物才可以實現氧的可逆反應，這就必然大幅度提高電池成本；還有一些學者認為氧反應從根本上難以實現可逆，所以應該抑制它來提高正極材料循環壽命。因此，對低造價（不含四五周期金屬元素）過渡金屬氧化物中晶格氧的氧化還原反應可逆性的確切、可靠、定量的分析成為當下至關重要的焦點問題。

　　“選擇這個課題，就是因為電池的能量密度，是全社會矚目的焦點，也是電池領域最重要的研究方向。”代克化向《中國科學報》解釋說，而提高能量密度的重要途徑之一就是研究開發基于新的電子轉移機理的材料。

　　他表示，陰離子（主要是晶格氧）氧化還原就是這樣的新機理，對其進行方便可靠的定量，是研究其可逆性、調控、演變的基礎，是整個領域內的迫切需求。

　　通力合作獲突破

　　本項研究從開始到發表，花了將近兩年的時間，論文長達24頁，在這個雜志中屬于最長的論文之一。“可以說傾注了我們大量的心血。”代克化表示。

　　獨木難成林，與代克化一同投入研究工作的還有他的兩名搭檔——美國勞倫斯伯克利國家實驗室終身研究員楊萬里、劉杲。“我們三個人已經有多年的合作基礎，會不定期開會討論最新的科研進展和接下來的選題，并交流分析最新的數據，探究數據背后的科學信息，凝練思想。正如論文最后作者貢獻部分寫的，我們三個共同領導了本課題，并與其他作者分工合作，共同完成了本項研究。”

　　提到研究難點，代克化表示，文章既包括了陰離子氧化還原的定量，也包括了陽離子氧化還原的定量，橫跨鈉離子電池和鋰離子電池兩個領域，涉及材料制備、電化學分析、XAS和RIXS兩種芯能級X射線譜學技術和大量的材料物理化學知識，所以是難度相當大的一項工作。

　　特別是晶格氧的氧化還原定量表征，是公認的難題，“我們經過了多種方案的反復嘗試比選，最終才確定了論文中的方案”。代克化表示，同時研究者對結果慎之又慎，和審稿人就每一個細節進行了反復交流，“文章是經歷了‘千錘百煉’的”。

　　目前，該論文已經論證在廉價的第三周期過渡金屬氧化物中實現高度可逆且穩定循環的晶格氧反應是可行的，但要實現這類材料的應用，還需要克服的難點有容量衰減、電壓衰減、充放電電壓滯變、快速充放電以及和負極的匹配等問題，還需要材料和電池領域的研究人員進行大量的工作。對此，代克化滿懷信心，“我們已經看到了光明，未來十分有望實現應用”。

　　不同方向齊發力

　　因為電池容量問題是產業界和學術界的焦點，研究者也有很多。在2018年初，日本物質材料研究機構（NIMS）公布，他們的一個研究小組成功合成了氧化錳納米片和石墨烯交替重疊的材料，而這種新型負極材料可提高電池容量兩倍以上。

　　據悉，研究小組在溶液中分散氧化錳納米片并與石墨烯混合，合成了交互多層的層壓復合材料，而此次通過把兩種物質從分子水平復合得到的復合材料，獲得了單獨材料難以實現的高特性。

　　對此，代克化評價道，提高負極容量對于電池整體容量提升也非常重要，以上成果展示了很高的容量和優秀的循環性能，具有重要意義。但是要走向實用，還需要克服首次效率太低和堆積密度太低的缺陷。

　　關于電池材料，還有硅、石墨烯、陶瓷材料等多種材料也不斷取得新的研究進展，最具發展前景的研究方向有哪些？

　　代克化認為，硅、石墨等屬于負極材料（陽極材料，Anode materials）。負極材料從比較可能應用的角度看，硅碳復合材料、氧化硅、鈦酸鋰等材料實用化前景比較明朗。高容量正極材料（陰極材料，Cathode materials）目前正在走向實用化的是高鎳三元材料、富鋰錳基材料等。全固態電池也是非常有前景的發展方向，因為可以通過使用鋰金屬做負極實現電池的高容量。

　　“很難說哪個方向最具有前景，因為從歷史上看，科技的未來很難準確預測，所以需要不同研究方向的科研人員共同攻關，大家分工合作，共同向更高的目標邁進。”代克化表示，“這種不確定性正是科學的魅力所在。”